電動助力轉向系統(tǒng)試驗臺結構設計_畢業(yè)論文

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1、 ( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！ ) 摘 要 本論文對電動助力轉向 (EPS)系統(tǒng)試驗臺進行了分析和設計。在本文中，對 EPS 試驗臺的兩種布置形式進行了對比和選擇，結合現(xiàn)代  EPS 系統(tǒng)試驗臺的發(fā) 展趨勢，對 EPS 系統(tǒng)試驗臺進行了分析和設計。通過研究 EPS 的工作過程，進 行試驗臺總體方案的設計，再對試驗臺的總體結構進行設計，設計過程中參考 了東華轉向器公司的產(chǎn)品， 運用 AutoCAD 畫出試驗臺的裝配圖。 在設計中采用了液壓滑臺設計，并對一些關鍵部件進行了選擇、校

2、核。 本文設計的試驗臺的優(yōu)點： (1)檢測試驗簡單，結構緊湊 (2)裝夾控制方便 (3)改進方便，便于升級改裝 關鍵詞： EPS；試驗臺； AutoCAD ；液壓滑臺 ABSTRACT This paper aims to do some analysis and design of electric power steer (EPS) system test platform, two forms of which are compared and selec

3、ted in this context. Through learning the trend of modern EPS system test platform, it includes analysis and design of EPS test platform. By studying the work process of EPS, and then design the overall structure of EPS test platform with the reference to Dong Hua steering company’s products. The as

4、semblydrawing of EPS test platform is drawn by AutoCAD. In this design, are as follows: (1)Testing simple, structure compacted (2)Easy to clamping and control (3) Easy to be improved and updated. Keywords：EPS；test platform；AutoCAD ；，額定電流 30A，通過減速機 構和轉向柱連接； 3)試驗臺架

5、，用于安裝固定各個部件； 4)模擬轉向負載的阻尼器，安裝在轉向軸徑上； 5)轉矩傳感器，電壓測量范圍 0~10V 6)車速信號模擬裝置和控制電路板； 7)電源，為系統(tǒng)提供所需電壓 380V220V ，電源總電流 DC50A ，臺架人體可 觸及部分元器件配電： 24V ； 8)多功能數(shù)據(jù)采集卡： PCI-8310 數(shù)據(jù)采集卡。 試驗臺系統(tǒng)總體結構框圖如圖 2-1 所示，通過傳感器來測量一些電量和非電 量，這些量為：車速、 EPS 裝置中轉向盤的主扭矩、轉向盤的轉向角度和制動 器阻力矩，助力電動機的電流、 電壓和轉矩等。 把這些量以及

6、ECU( 電子控制器 ) 中的一些控制量一起，通過 PCI-8310 多功能板傳送到工業(yè)控制計算機上，并適 時顯示系統(tǒng)運行各項數(shù)據(jù)及主要參數(shù)曲線，并最終存到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，據(jù)此來 分析 EPS 的性能，然后通過改變 EPS 裝置中 ECU( 電子控制器 )硬件和軟件的某 些方面，從而能使該裝置達到最佳的工作狀態(tài)，為以后汽車電動助力轉向裝置 的研制提供可借鑒的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。 2.4 試驗臺測試項目 車速 由于車速傳感器的信號經(jīng)過整形后發(fā)出的是脈沖信號，每個脈沖表示磁電式車速傳感器的被測齒盤輪齒轉過一齒，那么汽車的行駛速度就

7、可以用單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)、被測齒盤齒輪齒數(shù)與車輪的行駛半徑計算出來。 其計算公式如下： 錯誤！未找到引用源。 (2-1) 其中： V- 汽車行駛速度 n- 測量的脈沖數(shù) Z- 被測齒盤的齒輪齒數(shù) T- 測量時間周期 rd- 車輪的滾動半徑 系統(tǒng)的阻力矩 駕駛員在轉向時所需克服的阻力矩包括兩個主要部分：一是回正力矩，二 是摩擦力矩。汽車轉彎時，前輪上作用著與轉向力相應的“繞主銷的阻力矩” ， 通常籠統(tǒng)地稱為回正力矩?；卣爻詡鲃颖龋褪邱{駛員為了使汽車轉彎 所經(jīng)常需要克服的力矩。除了回正力矩以外，駕駛員還需要克服主

8、銷的摩擦阻 力矩，轉向機構的摩擦力矩 ( 其大小取決于轉向機效率 ) ，各個球頭的摩擦力矩 以及原地轉向時輪胎與地面的摩擦力矩等。 通?！稗D向阻力矩”按汽車不同的行車方式分成“原地轉向阻力矩”和“行 車轉向阻力矩”兩種。原地轉向 : 指對靜止不動的汽車進行轉向時，首先是輪胎 發(fā)生扭轉變形，繼之以路面和路面之間發(fā)生滑移，稱這一情況所產(chǎn)生的轉向阻 力矩為原地轉向阻力矩。行車轉向阻力矩指對行駛時的汽車進行轉向時產(chǎn)生的 阻力矩。行車轉向比原地轉向車速增加了，接地面積滾動成分增加，轉向阻力 矩也突然減小。 因此影響“阻力矩”的因素

9、有輪胎接地的單位面積壓力、接地面積、摩擦 系數(shù)等。顯然，負荷愈大，輪胎氣壓愈低，原地轉向阻力矩也將愈大。同時輪 胎和路面間的摩擦系數(shù)增大，原地轉向阻力矩也將增大。 電動機的各項參數(shù) 電動機助力轉矩是電動機為了提高汽車操縱的輕便性而對轉向系外加的力 矩，其大小由 EPS 的 ECU 根據(jù)傳感器傳來的車速信號、 轉向盤扭矩等參數(shù)決定。 在本測試系統(tǒng)中除了對轉向盤的主扭矩、電動機的助力轉矩和整個轉向裝 置所受的阻力矩的采集以外，還對車速和轉向盤轉角進行采集，對車速進行采 集是因為一般的汽車電動助力轉向裝置 EPS中的電子控制單元 ECU需要車速這

10、 個量；而采集汽車轉向盤角這個量是為了測量助力轉矩和轉向盤轉角的關系。 同時也對助力電動機的電流、電壓、輸出轉矩這些量進行采集，以此來檢測電 動機的工作狀態(tài) 。 轉向盤主扭矩與助力電動機轉矩的關系 此處省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和設計 圖紙等 . 請聯(lián)系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機 械畢業(yè)設計下載！該論文已經(jīng)通過答辯 助力特性對電動助力轉向系統(tǒng)的性能，包括輕便性、回正性、路感等有重 要影響。在傳統(tǒng)液壓動力轉向中助力特性主要由閥的結構決定，調整困難，

11、且 設計完成助力特性便確定，不隨車速變化；而 EPS 不同，助力特性曲線是電動 助力轉向的控制目標，由軟件來設置，可以設計成車速感應型特性曲線，并可 方便地進行調節(jié)。 圖 2-3 所示為傳統(tǒng)液壓動力轉向的助力特性曲線， 俗稱盆形曲線。圖 2-4 為幾種典型 EPS 助力特性曲線。對于永磁直流電動機，電磁轉矩與 電樞電流成比例，因此 EPS 的助力特性常用電動機電流與轉向盤輸入力矩之間 的關系曲線表示。 圖 2-3 傳統(tǒng)液壓動力轉向助力特性曲線

12、 (a)直線型 (b)折線型 (c)曲線型 圖 2-4 助力特性曲線 助力特性曲線有以下幾種類型： (1)直線型助力特性 圖 2-4(a)為典型直線型助力特性。該助力特性曲線可用下式函數(shù)表示 錯誤！未找到引用源。  (2-2) 式中， I  為電動機目標電流；  I max 為電動機最大工作電流；  Td 為轉向盤輸入矩； K(v)為助力特性曲線的梯度，隨車速增加而減??； Td0 為系統(tǒng)開始助力時轉向盤 輸入力矩； Tmax為系

13、統(tǒng)提供最大助力時的轉向盤輸入力矩。 (2)折線型助力特性 圖 2-4(b)所示為典型折線型助力特性。該助力特性曲線可用下式函數(shù)表示 錯誤！未找到引用源。 (2-3) 式中， K1(v)、K2(v)分別為助力特性曲線梯度，隨車速增加而減??； T d1為助力特 性曲線梯度增大為 K2(v)時的轉向盤輸入力矩。 (3)曲線型助力特性 圖 2-4(c)所示為典型曲線型助力特性。該助力特性曲線可用下式函數(shù)表示 錯誤！未找到引用源。 (2-4) 比較上述 3 種助力特性曲線，直線型助力特性最簡單，數(shù)據(jù)量小，存儲方便，有利于控制系

14、統(tǒng)設計，并且在實際中調整容易；曲線型助力特性復雜，數(shù)據(jù)存儲量大，調整不方便；折線型助力特性則介于兩者之間。助力特性曲線特征與參數(shù)的確定要與車型、駕駛員的要求相匹配。一般直線型助力特性適用于前軸負荷較小的車型，曲線型助力特性適用于前軸負荷較大的車型，折線型助力特性則介于兩者之間。 我們根據(jù)采集的電動機電流、轉向盤主扭矩和車速的數(shù)據(jù)畫成與助力特性類似的曲線，然后和助力特性曲線比較，如果與之比較相符的話，就說明汽車電動助力轉向裝置的性能比較好；反之，就說明性能不是很好，針對這些就應該對電子控制器進行硬件和軟件上的修改。所以本測試系統(tǒng)既可以用于研究開發(fā)人員對自己設計的 EPS 系統(tǒng)進行檢測；也可

15、以用于成品的檢查，這樣可以使不符合要求的產(chǎn)品從性能良好的產(chǎn)品中分離出去。 第三章 電動助力轉向試驗臺各部件的選用 3.1 系統(tǒng)主要部件 測控系統(tǒng)主要有電子控制單元 (ECU) ，電動機，減速機構，磁粉制動器，多 功能數(shù)據(jù)采集卡，車速傳感器，轉矩傳感器等部件組成。 檢測的主要性能參數(shù)為：汽車的車速，轉向盤的主扭矩和角度及車輪的阻 力矩，電動機的電流、電壓和轉矩。 電子控制單元 (ECU) ECU 的功能是根據(jù)車速信號、轉向盤扭矩信號，進行邏輯分析與計算后， 發(fā)出指令，控制電動機和離合器的動作。此外，

16、 ECU 還有安全保護和自我診斷 功能， ECU 通過采集電動機的電流、 電動機電壓、 發(fā)動機工況等信號判斷其系 統(tǒng)工作狀況是否正常，一旦系統(tǒng)工作異常，助力將自動取消，系統(tǒng)轉變?yōu)槭謩? 轉向狀態(tài)，同時 ECU 將進行故障診斷分析。 ECU 通常是一個 8 位單片機系統(tǒng)或者是 16 位電動機控制專用微處理器芯 片，也可采用數(shù)字信號處理器 ( Digital Signal Processing，簡稱 DSP) 作為控制 單元。由于電動助力轉向系統(tǒng)存在非線性元件 ( 如摩擦和阻尼 ) ，另外元件的磨 損、路面條件的變化和傳感器噪聲也會給系統(tǒng)帶來不確定性，因

17、此控制系統(tǒng)與 控制算法也是 EPS 的關鍵之一?？刂葡到y(tǒng)應有較強抗干擾能力，以適應汽車復 雜的行駛環(huán)境。控制算法應快速正確，滿足實時控制的要求，并能有效地實現(xiàn) 理想的助力規(guī)律與特性。它是本系統(tǒng)檢測的關鍵部件。 電動機 電動機的功能是根據(jù)電子控制單元的指令輸出適宜的輔助轉矩，是 EPS 的 動力源。電動機對 EPS 的性能有很大的影響，是 EPS 的關鍵部件之一，所以 EPS 對電動機有很高的要求，這些要求主要有： (1)由于大多車載電源為 12V 直流電，因此要求助力電動機的工作電壓低和 具有足夠大的額定功率和額定電流； (2)轉動慣

18、量小，寬廣的調速范圍，控制特性好，低速運行平穩(wěn)，力矩波動 ??； (3)大的齒輪傳動比將增加機械慣量，降低 EPS 系統(tǒng)的動態(tài)性能，所以齒輪 傳動比較小，因此，電動機轉速不能太高； (4)為減小轉子的慣性力矩，電動機的體積應盡可能小； (5)在堵轉時也要能夠提供助力作用，對于大型的車輛，甚至要求電動機能 夠提供與轉動方向相反的助力轉矩。 表 3-1 分析了不同電動機的技術特點及其滿足 EPS 使用要求的情況。這幾 種電動機不僅在結構方面有各自的特點，而且在效率、功率密度、力矩波動等 技術參數(shù)也互不相同?？紤]到汽車的特點，要

19、求 EPS 選用的電動機應該具有尺 寸小、質量輕、效率高、力矩波動與噪聲小，可靠性高、能與汽車使用環(huán)境相 適應，包括對電源的需求等。 表 3-1 不同類型電動機技術特點比較 電機類型 感應電動機 永磁有刷電動 永磁無刷電動 開關磁阻電動 項目 機 機 機 結構簡單 三相定子 四相定子 三相定子 轉動繞組 鋼鐵轉子 結構特點 永磁轉子 鋁或銅籠轉 機械換向器 無轉子繞組 電子換向 子無永磁體 無永磁體 負荷效率 (%) 90-92 85-97 85-97 7

20、8-86 系統(tǒng)復雜程度 驅動電路復 控制器簡單 控制器簡單 高度復雜 雜 使用技術 成熟 成熟 仍在發(fā)展 仍在發(fā)展 可靠性 一般 較好 優(yōu) 較好 力矩波動 小 電動機設計時 基本通過電磁 由電磁設計和 考慮 設計考慮 電子控制考慮 功率密度 中 中 高 中 對助力大小要求較低的汽車，選用永磁有刷直流電動機是一個好的選擇，因為有刷直流電動機技術成熟、控制器結構簡單、成本低；對要求助力較大的轎車，應選擇永磁無刷直流電動機，因為永磁無刷直流電動機比其它類型電動機更具有優(yōu)勢。雖然也可以用開關磁阻電動機，但是需要進行

21、許多的研究來克 服其缺點。 減速機構 EPS 的減速機構與電動機相連，用來增大電動機的輸出扭矩。主要有兩種 形式：蝸輪蝸桿減速機構和雙行星齒輪減速機構。前者主要用于轉向軸助力式 轉向系統(tǒng)，后者主要用于齒輪助力式和齒條助力式轉向系統(tǒng)。本試驗臺的測試 減速機構為蝸輪蝸桿減速機構，減速比為 16.5。 圖 3-1 蝸輪蝸桿減速機構 轉向電動機 磁

22、粉制動器的阻力矩最大值 Tc=100Nm，i=16.5，轉向盤所需施加的轉矩 Td=Tci=10016.5 =6.06Nm PW 錯誤！未找到引用源。 選擇 Y90L-4 電動機，將其有關參數(shù)帶入驗算 錯誤！未找到引用源。 取 0.98，n=1400 rmin T=1.5 錯誤！未找到引用源。 9550 錯誤！未找到引用源。 0.98 錯誤！未找到 引用源。 =10Nm T 錯誤！未找到引用源。 Td 所以轉向電動機選 Y90L-4 。 磁粉制動器 本系統(tǒng)中應用磁粉制動器來模擬轉向系統(tǒng)的阻力矩。磁粉制動器是

23、利用電磁效應下的磁粉來傳遞轉矩的，具有激磁電流和傳遞轉矩基本成線性關系、響應速度快、結構簡單、無沖擊、無振動、無噪音、無污染等優(yōu)點，是一種多用途性能優(yōu)越的自動控制元件，廣泛應用于各種行業(yè)中機械的加載、制動以及卷繞系統(tǒng)中收卷和放卷的張力控制。在該系統(tǒng)中，利用磁粉制動器來模擬汽車整個轉向裝置所受的阻力矩。盡管磁粉制動器難以精確模擬行駛路況，但是可以實現(xiàn)磁粉制動器負載的變化趨勢與路面行駛一致。因此，通過磁粉制動器研究 可以探索電動機的助力規(guī)律，檢驗助力控制程序的運行效果，分析 EPS 對汽車 轉向輕便性的影響。同時也可以降低直接裝車進行路試的危險性和研究成本。 本試驗臺采用瑞安市中

24、瑞控制器廠生產(chǎn)的 CZ 型磁粉制動器 (如圖 3-2)，其技術 參數(shù)如表 3-2。 圖 3-2 CZ 型磁粉制動器 表 3-2 CZ 磁粉制動器技術參數(shù) 參數(shù) 額定轉矩 N.M 激磁電流 允許滑差功率 冷卻方式 磁粉量 g A KW 指標 100 1 8 單雙水冷 150 其主要有激磁電流 - 力矩、轉速 - 力矩和負載三個特性： (1) 激磁電流 - 力矩特性

25、 激磁電流與轉矩基本成線性關系，通過調節(jié)激磁電流可以控制力矩的大小。 其特性如圖 3-3 所示。 圖 3-3 激磁電流 - 力矩特性 圖 3-4 轉速 - 力矩特性 (2) 轉速 - 力矩特性 力矩與轉速無關， 保持定值。靜力矩和動力矩沒有差別。 特性如圖 3-4 所示。 (3) 負載特性 磁粉制動器

26、的允許滑差功率在散熱條件一定時是定值。其連續(xù)運行時，實 際滑差需在允許滑差功率以內(nèi)。使用轉速高時，需降低力矩使用。其特性如圖 3-5 所示。 圖 3-5 負載特性 3.2 傳感器的選擇 傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。一般來講傳感器的選用與以下幾個方面密切相關： 控制方面的要求：涉及測定的目的、測量的對象、測量的范圍以及精度要求等； 今傳感器的性質：包括精

27、度等級、穩(wěn)定性、對象的特性影響等；使用條件：主要涉及應用現(xiàn)場的環(huán)境因素； 供求水平和維護：也即經(jīng)濟性和良好的維護性。同時試驗臺系統(tǒng)的工作環(huán)境的多變性，以及來自電動機和功率驅動電路的電磁干擾比較大，考慮到人身安全要求的高可靠性等。 表 3-3 現(xiàn)場信號清單 序號 信號名稱 信號類型 信號源 路 信號 數(shù) 標準 1 車速信號 模擬量輸 波形發(fā)生器 1 方波 入 2 角度信號 數(shù)字量輸 角度傳感器 1 方波 入 3 轉向轉矩 模擬量輸 扭矩傳感器 1 方波

28、 入 模擬量輸 1 4 電動機轉矩 扭矩傳感器 方波 入 5 模擬量輸 1 轉向阻力矩 扭矩傳感器 方波 入 6 模擬量輸 1 -5~+5v 電動機電流 電動機輸出端子 入 7 模擬量輸 1 -5~+5v 電動機電壓 電動機輸出端子 入 試驗臺用傳感器也有其自身的特殊要求。具體體現(xiàn)在以下幾個方面： (1)有較好的環(huán)境適應性； (2)批量生產(chǎn)，并具有互換性； (3)高

29、可靠性，穩(wěn)定性好； (4)盡可能小型、輕量，便于安裝； (5)抗電磁干擾能力強； (6)性能 : 精度高、響應快，從而滿足試驗臺實時采集數(shù)據(jù)的要求。 從表 3-3 中可以看出， 本系統(tǒng)中待檢測的信號比較多， 而且信號的種類又不 同，主要有轉矩信號、速度信號、轉角信號、電流信號、電壓信號等。 在該系統(tǒng)中，最主要的性能參數(shù)為汽車的車速，轉向盤的主扭矩和電動機 目標電流，下面對這三者所用的傳感器和檢測方法加以詳細的說明。 轉速傳感器 (1)轉速傳感器的分類及特點 速度傳感器是將機械運動速度這個非電量變換成電量信號的傳感器，如果 按輸出

30、信號的模式可分為模擬式和數(shù)字式兩種，按工作原理又可分為電容式、 光電式、磁電式等，其分類方法如圖 3-6 所示。 1)模擬式轉速傳感器是取其與被測轉速成正比的電壓幅度作為輸出信號， 稱 為測速發(fā)電機。測速發(fā)電機的構造簡單可靠，耐振動沖擊，速度范圍小，但溫 漂較大，不適于高溫環(huán)境。 2)數(shù)字式傳感器是取其與被測轉速的頻率成正比的電脈沖作為輸出信號， 按 獲取轉速信號的方式可分為電渦流式，光電式和磁電式三種。 直流測速機 模擬式轉速傳感器 同步型 轉速傳感器 

31、 數(shù)字式轉速傳感器  交流測速機電渦流式光電式  異步型 磁電式 圖 3-6 車速傳感器的分類 汽車上的速度傳感器一般用的是數(shù)字式傳感器，它以集電極開路形式輸出 的脈沖表示車速，在本測試系統(tǒng)中可以用基本輸入輸出系統(tǒng)輸出的脈沖來模擬， 把這脈沖分別傳送給 ECU 和測試微機系統(tǒng)。 轉矩傳感器 轉矩傳感器是測量各種電動機、內(nèi)燃機以及旋轉動力設備的輸出扭矩及功率的必備設備，從上世紀三四十年代發(fā)展至今己有數(shù)十種產(chǎn)品，從最初的光學機械變形類發(fā)展

32、到電磁感應類、相位差類，到現(xiàn)在應用最廣泛的應變測量類。隨著低功耗微電子技術的發(fā)展，各類轉矩傳感器被賦予了新的生命，其性能也越來越好可測的精度與轉速也越來越高。 傳遞法 轉矩傳感器 平衡力法 能量轉換法 圖 3-7 轉矩傳感器的分類 從傳感器的分類來說，以往所有的轉矩傳感器都屬于結構型傳感器，由于 都要利用彈性元件的機械變形，因此轉矩傳感器具有體積大、耗材多等缺點。 但由于上藝成熟、牢固、可靠、價格低廉，與微電子技術和計算機技術結合后 易實現(xiàn)數(shù)字化、自動化，所以仍有十分廣闊的應用前景。在本系統(tǒng)中主要用于 測量轉向盤的主扭矩，轉向阻力矩和助力電

33、機力矩。 轉矩傳感器按測量原理的分類如圖 3-7 所示 : (1)傳遞法 ( 扭軸法 ) 是根據(jù)彈性元件在傳遞轉矩時由于彈性元件的變形、應 力或應變而引起機械、液壓、氣動、電阻、電容、電感、光學、光電、振弦等 物理參數(shù)的變化而形成的轉矩傳感器，目前此類傳感器占轉矩測量的絕大部分。 (2)平衡力法 ( 反力法 ) 對于任何一種勻速工作動力機械或制動機械，當它的 主軸受轉矩作用時，在它的機殼上必定同時作用著一個方向相反的平衡力矩 ( 或 稱為支座反力矩 ) ，測量支座上的反力矩就 . 用以確定機器主軸上作用轉矩的大 小與方向。此種

34、測量方法就是平人衡力法。也稱反力法。常用這種方法的有電 力測功機、水力測功機和空氣、磁粉等測功機類。 (3)能量轉換法是根據(jù)能量轉換守恒定律的關系來測量轉矩的一種方法，它 是一種間接測量方法。一般來說誤差較大，故很少采用，只有在直接測量無法 進行的時候才考慮此法。 目前在轉矩測量中，傳遞類轉矩傳感器應用十分廣泛。 轉矩傳感器用來檢測電動助力轉向器輸入軸扭矩和轉向阻力矩，是系統(tǒng)中 一個非常重要的檢測部件。選用的扭矩傳感器為是北京三晶創(chuàng)業(yè)集團的 JN338 數(shù)字轉矩轉速傳感器如圖 3-8 所示。

35、 圖 3-8 JN338 型數(shù)字轉矩轉速傳感器 該傳感器采用兩組特殊環(huán)形旋轉變壓器來實現(xiàn)能源的輸入及轉矩信號的輸 出，從而解決了旋轉動力傳遞系統(tǒng)中能源及信號可靠地在旋轉部分與靜止部分 之間的傳遞問題。該傳感器還可同時實現(xiàn)旋轉軸轉速的測量，從而可方便地計 算出軸輸出功率，因此，利用該傳感器可實現(xiàn)轉矩、轉速及軸功率的多參數(shù)輸 出。 主要技術參數(shù)如下 : 表 3-4 JN338 傳感器主要技術參數(shù) 轉矩準確 參數(shù) 過載能力 絕緣電阻 工作

36、溫度 線性 相對濕度 度 錯誤！未 -20~60 錯 錯誤！未 錯誤！未 指標 >0.5%150%F.S 找到引用 誤！未找 找到引用 找到引用 源。 到引用 源。 源。 200Mo 源。 0.5%F.S 90%RH 第四章 試驗臺的結構設計 4.1 試驗臺的布置 由試驗臺的總體方案設計，運用 CAD 軟件設計試驗臺架。如圖 4-1 從右到 左為液壓缸，滑臺，轉向電動機，彈性聯(lián)軸器，轉矩傳感器，萬向節(jié)聯(lián)軸器， 減速器，助力電機，萬向聯(lián)軸

37、器，轉矩傳感器，凸緣聯(lián)軸器，磁粉制動器，滑 臺，液壓缸。 圖 4-1 試驗臺的布置 4.2 聯(lián)軸器的選擇與校核 聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機構中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。 聯(lián)軸器種類繁多，按照被聯(lián)接兩軸的相對位置和位置的變動情況，可以分為：①固定式聯(lián)軸器。主要用于兩軸要求嚴格對中并在工作中不發(fā)生相對位移

38、的地方，結構一般較簡單，容易制造，且兩軸瞬時轉速相同，主要有凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器等。②可移式聯(lián)軸器。主要用于兩軸有偏斜或在工作中有相對位移的地方，根據(jù)補償位移的方法又可分為剛性可移式聯(lián)軸器和彈性可移式聯(lián)軸器。剛性可移式聯(lián)軸器利用聯(lián)軸器工作零件間構成的動聯(lián)接具有某一方向或幾個方向的活動度來補償，如牙嵌聯(lián)軸器（允許軸向位移）、十字溝槽聯(lián)軸器（用來聯(lián)接平行位移或角位移很小的兩根軸）、萬向聯(lián)軸器（用 于兩軸有較大偏斜角或在工作中有較大角位移的地方）、齒輪聯(lián)軸器（允許綜 合位移）、鏈條聯(lián)軸器（允許有徑向位移）等，彈性可移式聯(lián)軸器（簡稱彈性 聯(lián)軸器）利用

39、彈性元件的彈性變形來補償兩軸的偏斜和位移，同時彈性元件也 具有緩沖和減振性能，如蛇形彈簧聯(lián)軸器、徑向多層板彈簧聯(lián)軸器、彈性圈栓 銷聯(lián)軸器、尼龍栓銷聯(lián)軸器、橡膠套筒聯(lián)軸器等。聯(lián)軸器有些已經(jīng)標準化。選 擇時先應根據(jù)工作要求選定合適的類型，然后按照軸的直徑計算扭矩和轉速， 再從有關手冊中查出適用的型號，最后對某些關鍵零件作必要的驗算。 典型聯(lián)軸器： (1)凸緣聯(lián)軸器： 凸緣聯(lián)軸器由兩個帶凸緣的半聯(lián)軸器和聯(lián)接螺栓組成。兩半聯(lián)軸器分別用 鍵與兩軸連接，同時它們再用螺栓相互連接。凸緣聯(lián)軸器有兩種對中方式：一 種是利用兩個半聯(lián)軸器接合端面上凸出的對中榫和

40、凹入的榫槽相配合對中，其 對中精度高，工作中靠預緊普通螺栓在兩個半聯(lián)軸器的接觸面間產(chǎn)生的摩擦力 來傳遞轉矩，拆裝時軸必須作軸向移動，不太方便，多用于不常拆裝的場合； 另一種是采用鉸制孔用螺栓對中，工作中靠螺栓桿的剪切和螺栓桿與孔壁間的 擠壓來傳遞轉矩，其傳遞轉矩的能力較大。若傳遞的轉矩不大，可以一半采用 鉸制孔用螺栓，另一半采用普通螺栓，這種結構裝拆時軸不需作軸向移動，只 需拆卸螺栓即可，比較方便，可用于經(jīng)常裝拆的場合。 圖 4-2 凸緣聯(lián)軸器 制造凸緣聯(lián)軸器的材料可采用 35、45 鋼或 ZG

41、310-570，當外緣圓周速度 v 錯誤！未找到引用源。 30 ms時可采用 HT200 。 考慮到機器啟動、停車和工作中不穩(wěn)定運轉的動載荷影響，計算轉矩 Tca 可 按下式計算 Tca=KAT 式中 T—聯(lián)軸器傳遞的名義轉矩，單位為 Nm； KA—聯(lián)軸器的工作情況系數(shù)。 根據(jù)聯(lián)軸器的工作情況系數(shù)表，選擇 KA=1.3，磁粉制動器的最大轉矩為 T=100Nm，帶入公式 Tca=1.3 錯誤！未找到引用源。 100=130Nm 磁粉制動器的輸入軸的直徑 d=38mm，根據(jù)《機械工程及自動化簡明設計手 冊》

42、選取凸緣聯(lián)軸器 YL7 ，其額定轉矩為 160Nm, 大于 130Nm，滿足要求，轉 速較小，所以選取材料為 HT200 。 (2)彈性聯(lián)軸器： 彈性套柱銷聯(lián)軸器的結構與凸緣聯(lián)軸器的結構相似，只是用套有彈性套的柱銷代替了連接螺栓。柱銷的一端以圓錐面與一半聯(lián)軸器上的圓錐孔相配合，并用螺母固定。另一端套裝有整體式彈性套，與另一半聯(lián)軸器凸緣上的圓柱形孔間隙配合。因彈性套的彈性變形和間隙配合，從而使聯(lián)軸器具有補償兩軸相對位移的能力和緩沖吸陣的功能。兩半聯(lián)軸器與軸配合的孔可做成圓柱形或圓錐形。 半聯(lián)軸器的材料常用 TH200 ，有時也采用 ZG310-570，柱銷材料多用 45

43、 鋼，彈性套采用耐油橡膠制成。 彈性套柱銷聯(lián)軸器制造容易，裝拆方便，成本較低，其彈性套易磨損，但更換方便，主要適用于起動頻繁、需要正反轉的中、小功率傳動，工作環(huán)境溫度應在 -20 錯誤！未找到引用源。 ~+70 錯誤！未找到引用源。 的范圍內(nèi)。 彈性套柱銷聯(lián)軸器可從有關標準中選用，必要時應驗算彈性套與孔壁的擠壓強度和柱銷的剪切強度。 Tca=KAT T=50Nm，KA=1.3 帶入公式 Tca=1.3 錯誤！未找到引用源。 50=65Nm 現(xiàn)在計算柱銷的剪切應力，看能否滿足要求 T= 2FSD1 聯(lián)軸器 TL4 的 D1 為 85mm 柱

44、銷直徑 d=12mm F S=50 錯誤！未找到引用源。 0.085=294N 錯誤！未找到引用源。 =294 錯誤！未找到引用源。 =2.6MPa 2.6MPa<[錯誤！未找到引用源。 ]=30MPa 可以選用 TL4 型彈性套柱銷聯(lián)軸器。 彈性套的擠壓面積 AbS=b 錯誤！未找到引用源。 d 查手冊 b=23mm，d=12mm AbS=0.023 錯誤！未找到引用源。 =2.76 錯誤！未找到引用源。 m2 F=FS=AbS 錯誤！未找到引用源。 bS 帶入數(shù)值 錯誤！未找到引用源。 bS=29

45、4 錯誤！未找到引用源。 2.76 錯誤！未找到引用源。 =0.1MPa 滿足要求 特點：緩沖吸振，可補償較大的軸向位移，微量的徑向位移和角位移。 應用：正反向變化多，啟動頻繁的高速軸。 圖 4-3 彈性套柱銷聯(lián)軸器 (3) 萬向聯(lián)軸器 萬向聯(lián)軸器有多種結構型式，例如：十字軸式、球籠式、球叉式、凸 塊式、球銷式、球鉸式、球鉸柱塞式、三銷式、三叉桿式、三球銷式、鉸 桿式等，最常用的為十字軸式，其次為球籠式，萬向聯(lián)軸器的共同特點是 角向補償量較大，不

46、同結構型式萬向聯(lián)軸器兩軸線夾角不相同，一般 ≤ 5 ~45之間。萬向聯(lián)軸器利用其機構的特點，使兩軸不在同一軸線，存在軸線夾角的情況下能實現(xiàn)所聯(lián)接的兩軸連續(xù)回轉，并可靠地傳遞轉矩和運動。萬向聯(lián)軸器最大的特點是具有較大的角向補償能力，結構緊湊，傳動效率高。在實際應用中根據(jù)所傳遞轉矩大小分為重型、中型、輕型和小型。 圖 4-4 萬向聯(lián)軸器 萬向聯(lián)軸器與 EPS 系統(tǒng)連接，可以補償各部件高度上的微小差別，保證試 驗臺的正常運轉。 4.3 普通平鍵的選擇與校核 根據(jù)彈

47、性套柱銷聯(lián)軸器的尺寸，查閱機械工程設計手冊，選擇 A 型普通平 鍵 b 錯誤！未找到引用源。 8 錯誤！未找到引用源。 7，材料為 45 號鋼。鍵的許用應力 [錯誤！未找到引用源。 ]=60MPa ，[錯誤！未找到引用源。 ]=100MPa ?？紤]到磁粉制動器的輸出轉矩為 100Nm，所以應校核此處的平鍵。下面對鍵的強度進行校核。 首先校核鍵的剪切強度。 將平鍵沿 n-n 截面分成兩部分， 并把 n-n 以下部分 和軸作為一個整體來考慮。 因為假設在 n-n 截面上切應力均勻分布， 故 n-n 截面上的剪力 FS為 F S=A 錯誤！未找到引用源。 =bl 錯誤！未找到

48、引用源。對軸心取矩，由平衡方程 錯誤！未找到引用源。，得 F S錯誤！未找到引用源。 =bl 錯誤！未找到引用源。 式中 l=38mm， 故有 可見平鍵滿足剪切強度條件。 其次校核鍵的擠壓強度。 考慮鍵在 n-n 截面以上部分的平衡， 在 n-n 截面上的剪力 FS=bl 錯誤！未找到引用源。，一側面上的擠壓力為 F 錯誤！未找到引用源。 投影于水平方向，由平衡方程得 F S=F 或 bl 錯誤！未找到引用源。 由此求得 故平鍵也滿足擠壓強度要求。 可

49、選用此平鍵。 4.4 液壓滑臺 液壓滑臺可以實現(xiàn)試驗部件的移動，方便裝夾，這也是本設計的一個亮點， 在參考東華轉向器試驗臺的時候，發(fā)現(xiàn)他的滑臺是手動的，如果改成液壓的會 方便許多。液壓滑臺如圖 4-5，通過控制電磁閥來控制液壓缸， 實現(xiàn)滑臺的運動， 在此就不設計液壓缸了。 圖 4-5 液壓滑臺 4.5 磁粉制動器支架 根據(jù)磁粉制動器的參數(shù)，設計了磁粉制動器的支架。如圖 4-6，用于固定磁 粉制動器，使其能正常工作。

50、 圖 4-6 磁粉制動器支架 4.6 減速機構支架 磁粉制動器支架已設計好，根據(jù)磁粉制動器裝配好的軸線高度設計減速機 構支架，如圖 4-7 使用最簡單的支架結構，關鍵保證支架的高度， 使減速機構裝 配好后，其軸線高度與磁粉制動器的高度差上下不超過 10mm，滿足機構能正常 運行。 4-7 減速機構支架 4.7 轉向電機支架 轉向電機支架和減速機構支架相似，但要滿足轉向電

51、機的要求，如圖 4-8。 圖 4-8 轉向電機支架 第五章 結 論 5.1 結論 汽車電動助力轉向系統(tǒng)是汽車的關鍵部件之一，在汽車特別是乘用車上的 應用和普及，是大勢所趨。本文對電動助力轉向系統(tǒng)的工作原理進行了分析。 在對汽車電動助力轉向裝置技術條件與臺架試驗方法標準理解的基礎上，研究 了性能測試技術和方法，設計了汽車動力轉向器試驗臺。 主要完成以下工作： 完成了電動助力試驗臺總體方案的確定和設計，根據(jù)需要選擇了試驗臺用 轉

52、矩傳感器，磁粉制動器，聯(lián)軸器，電動機，液壓滑臺。 在分析了減速器的結構尺寸后，設計了夾具，能把減速器夾緊在試驗臺上， 在試驗時起固定作用。 用 CAD 設計了試驗臺總框架圖和總裝配圖，非標準的零件圖。 本試驗臺能幫助廠家測試剛出廠的電動助力轉向系統(tǒng)，測試助力特性，工 業(yè)計算機會生成助力特性曲線，并與數(shù)據(jù)庫中的標注助力特性曲線進行比較， 評價 EPS 系統(tǒng)的好壞。 5.2 總結 本設計只是對電動助力轉向試驗臺機械結構的設計，軟件設計和硬件設計 由另外兩位同學來完成。試驗臺根據(jù)車速信號來控制助力電動機的電流，以此 來控制施

53、加的助力轉矩的大小，可以得到電流與轉矩的關系曲線，然后與數(shù)據(jù) 庫中的曲線相比較，可檢測助力性能的好壞；次試驗臺也可以做轉向器的疲勞 實驗，作為剛出廠時的檢測。由于本人能力有限，所以不足之處還請大家?guī)兔? 指出。汽車電動助力轉向試驗臺涉及機械、汽車、電子和軟件設計等多學科領 域，它的發(fā)展一定會促進 EPS 產(chǎn)品質量的提高， 對中國汽車工業(yè)產(chǎn)生一定影響。 參考文獻 1. 陳家瑞主編 .汽車構造 ( 第三版下冊 ) [M]. 北京 : 機械工業(yè)出版社 ,2009.2 2. 王望予主編 .汽車設計 ( 第四版

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55、 7. 陳于萍 ,周兆元主編 .互換性與測量技術基礎 (第二版 )[M]. 北京 : 機械工業(yè)出版社， 2005.10 8. 謝家瀛主編 .組合機床設計簡明手冊 [M]. 北京 : 機械工業(yè)出版社 ,1992.10 9. 楊孝劍 .汽車電動助力轉向系統(tǒng)的動力學分析與控制研究 [D]. 合肥工業(yè)大學碩士學 位論文 ,2003 10.Jeonghoon song, Kwangsuck Boo. Model development and control methodology of a new electric power

56、 steering system[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part D, Journal of Automobile Engineering, 2004, 218 11. 陳于萍,周兆元主編.互換性與測量技術基礎 (第二版)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社 ,2005.10 12. 肖生發(fā),馮櫻,劉洋.電動助力轉向系統(tǒng)助力特性的研究 [J].湖北汽車工業(yè)學報, 2001(15): 12-17 13. 葉偉昌 ,陳遼軍 .機械工程及自動化簡明設計手冊 ( 第二版上冊 )

57、[M]. 北京 : 機械工 業(yè)出版社 ,2007.6 14. 徐錦康主編 .機械設計 [M]. 北京 : 高等教育出版社 ,2004.4 15.Xu Hanbin, Zhang Zhongfu. Offline Detection of Electric Power Steering[J].Wuhan: School of Mechantronic Engineering Wuhan University of Technology 致 謝 光陰荏苒，時光如梭，轉眼間，四年的大學學

58、習生活已進入尾聲，往日的求學生活及知識的積累，將成為我心底最難忘的回憶和一筆終生的財富。汽車電動助力轉向試驗臺的研究啟迪了我的思維，開拓了我的視野，鍛煉了我的能力。自身能力的提高離不開我的指導老師羅紹新副教授的悉心指導和關懷。在此論文完成之際，謹向您致以最誠摯的敬意！您淵博的學識、求實的作風、具有開拓性的科學研究和對事業(yè)的執(zhí)著追求精神，讓我體會到了現(xiàn)代學者的風采，同樣感到親人般的溫暖和關愛。我從你身上不僅學到了很多專業(yè)知識，而且學會了很多做人道理，這將是一筆永恒的財富，使我終生受益。還要感謝東華轉向器公司對我的幫助。 在多年的學習生活中，還得到了許多車輛系領導和老師的熱情關心和幫助，在這

59、里我要感謝你們。 在這里我還要感謝我的父母，感謝你們對我養(yǎng)育，感謝各位老師，感謝你們傳授我知識，教我做人，感謝同學陪伴，感謝所有幫助過我的人，感謝你們讓我順利完成了大學學習以及生活。 最后，向審閱本文的老師們致敬！ 周云鵬 2011 年 6 月 于南京 附錄 A：英文資料 Offline Detection of Electric Power Steering (EPS) Xu Hanbin Zhang Zhongfu School of Me

60、chantronic Engineering Wuhan University of Technology. Wuhan 430070, CHINA\ Abstract: Increasing use of electric power steering (EPS) systems, which affect vehicle dynamic behavior, EPS. This research aims at building EPS off-line platform for realization of perfor

61、mance detection. First, the control logic on EPS is analyzed, and all kinds of input signals influencing on EPS are analyzed and modeled. They include engine velocity, vehicle velocity, self-diagnosis signal, starter signal and the steering angle. Then, the -the-loop simulation (HILS)

62、system is designed. The industrial computer is selected as the main test platform with some ISA-bus cards. In addition, the conversion interface is designed to suit the in-out need of EPS and the industrial computer. The system will be achieved with both simplicity and usability tak

63、en into account. The correlative control software is also developed with the good friendly interface. It can realize the storage of the testing data automatically. At last, the - the-loop simulation system that can implement an actual load (prepared) torque delivered to the steering column

64、 is achieved. Experimental studies show that the -the-loop simulation system can satisfy the need of off-line detection. Keywords： simulation, electric power steering, -the-loop I. Introduction Electric power steering (EPS) is more energy efficient and environmentally compatible.

65、 It consumes approximately one-twentieth the energy of conventional any oil, it does not pollute the environment both when it is produced and discarded. As a result, this motivates the great increase of EPS-equipped vehicles recently. Although electric power steering systems offer significant ad

66、vantages over their this application until just recently. Thus, it is very necessary to improve EPS quality continuously, especially to the core of EPS: electric control unit (ECU). It certainly leads to more tests on EPS, and the tests are also very important for ECU development. It is a problem to process testing in the dynamics of unavailable -the-loop simulation (HILS) is introduced. Test in -the-loop simulation is a viable alternative, allowing new electronic con